基于節點傳輸碰撞的Ad Hoc電源監控系統設計

陳 竺

(重慶電子工程職業學院計算機學院，重慶401331)

電源的有效監控是工農業生產的基礎，而無線傳感網的出現對于特殊環境下電源系統無線監控體系的構建至關重要。

電源監控系統的底層需要一個數據采集系統的支持，在一些特殊環境下的移動電源系統，無線傳感網可以有效地解決布線及維護困難的難題，同時，無線傳感網具有多跳、自組織的基本特性，可以根據實際情況進行動態的通信網絡拓撲結構的調整，可以增加監控系統底層網絡的環境適應性。

Ad Hoc 是近年來發展起來的點對點對等通信方式，它的基本特點是可以實現在先前無網絡基礎的環境下，由移動節點按某種方式臨時自組織成一種可用網絡，具有自行創造、自行組織、自行管理的特性。

Ad Hoc 對于臨時性監控網絡的組建具有極大的價值，例如軍事作戰前線、臨時性會議及現場等，大量的電源設備的監控就要依賴于Ad Hoc 網絡的組建，因此Ad Hoc 技術具有廣闊的應用前景。

由于移動性及無線傳輸的基本特性，Ad Hoc 網絡具有一定的弊端，例如安全性較差，所使用的IEEE802.11 DCF 協議不利于吞吐量的有效提高，因此針對特殊情況下的電源監控系統，本文提出了利用節點碰撞控制進行改進的MAC 層協議，以保證系統的傳輸速率。

1 系統總體結構設計

圖1 系統總體結構設計

電源移動監測的移動性造成了其網絡結構的不確定性，系統結構框圖如圖1 所示，當移動的電源監測點采集到相應數據之后，搜索四周的信號，如果在周圍迅速找到了固定傳輸節點，則由該節點將信息傳送至匯總中心，匯總中心由嵌入式系統構成，嵌入式系統將數據進行處理后，由有線傳輸系統傳至遠端控制中心；而當周圍沒有固定節點時，就在周圍查詢其他移動節點，將信號傳至該移動節點后，由該節點再查詢四周的固定節點，如果查到則由該節點上傳信息，如果找不到，則繼續查找其他移動結點，以此類推。

2 物理層傳感網的設計與實現

物理層的傳感網采用網狀拓撲結構，每一個傳感器節點的基本結構如圖2 所示[1]。

圖2 無線傳感器網絡節點基本結構

如圖2 所示，每一個傳感器節點由能量供應單元、電源運行狀態感知傳感器、微處理器、存儲器、無線通信單元等組成；能量供應單元提供每一個節點正常工作所需的能量；傳感器單元由電壓、電流、有功、無功、電量、頻率、環境溫度、環境濕度等傳感器組成，完成移動電源系統各項工作指標參數的采集；微處理器由單片機或嵌入式芯片來擔當，如果內置存儲器的大小能夠滿足數據處理量的存儲要求，則不必另增加片外存儲器，如果芯片內置存儲空間不足，則需要外加存儲器。微處理器與傳感器之間的數據通信一般采用串口通信方式，如果傳感器所采集的參數為模擬量，則與微處理器中間需增加A/D 轉換器；無線通信單元采用無線射頻方式，本設計中采用ZigBee 技術來構建無線通信的基本單元，芯片采用CC2530來實現信號的收發，協議棧采用Z-stack。

3 MAC協議論述及其改進

無線傳感網采用IEEE802 標準，該標準遵循ISO/OSI 參考模型的基本原則，且只到OSI 的最低兩層：物理層和數據鏈路層。無線傳感網的數據鏈路層分為兩個子層，一個是介質訪問控制(MAC)，另一個是邏輯鏈路控制(LLC)。

MAC 的主要功能是處理所有與物理層相關的無線信道的接入，例如網絡信標的產生與同頻、個域網的建立與斷開、信道沖突避免措施的建立、可靠鏈路的保持等[2]。而由于每一個傳感器結點的存儲能力、計算能力、通信能量以能源供給都有限，因此在無線傳感器網絡中，MAC 協議首先考慮的是系統的可擴展性和節省能源，而為了減少能量的消耗，MAC 協議采用“偵聽/睡眠”的交替無線信道偵聽機制，同時采用CSMA/CA 進行線路的偵聽與沖突避免。

基于CSMA/CA 的偵聽方式是一個傳輸沖突的有效辦法，但當偵聽到線路忙時，設備需等待一個隨機的時間以減少沖突的可能，如果等待一段時間之后線路仍然忙，則就需要再等待一個更長的隨機時間，這樣就容易造成數據傳輸的延遲，因此，對CSMA/CA 進行改進是改善數據傳輸效率的必要手段。

好的MAC 協議應具有高吞吐量、低時延、高公平性等基本特性，其中利用節點傳輸碰撞控制來改進協議的公平性和提高吞吐量具有良好的效果。

節點的碰撞概率表示了網絡中發生碰撞的數據占總數據的比值，比值越大，說明線路越忙，比值越小，說明線路越暢通，因此，利用節點碰撞率來動態地調節CSMA/CA 的時間間隙，從而避免簡單的算法生成的隨機時間所帶來的誤差和不公平性。

改進的CSMA/CA 數據接收流程圖如圖3 所示。

圖3 改進的CSMA/CA數據接收流程圖

如圖3 所示，當載波檢測啟動后，系統計算當前的節點碰撞概率，如果當前的節點碰撞概率大于前一時刻的節點碰撞概率，則以退避算法加大退避的時間，而如果當前的節點碰撞概率小于前一時刻的節點碰撞概率，則按照退避算法減少退避的時間，從而實現根據節點碰撞概率來確定退避的時間，以縮短數據傳輸的等待時間，加快數據傳輸速率，提高數據吞吐量。

4 結論

利用仿真軟件對CSMA/CA 及改進后的CSMA/CA 進行仿真，結果表明，當節點數比較少時，兩種方法的數據傳輸速率大致相仿，而節點數增加較快時，基于節點碰撞概率的CSMA/CA 退避方法的數據傳輸速率比未改進的方法有較大的改善，說明該方法有較好的提高數據吞吐量的作用。

[1]屈軍鎖.物聯網通信技術[M].北京：中國鐵道出版社，2011：144-145.

[2]郝國偉.基于節點碰撞控制的Ad-Hoc 網絡MAC 協議研究[D].成都：西南交通大學，2013：12-14.